La loi de Schmidt (1959, ApJ 129, 243) Si le SFR était constant, le gaz interstellaire contenu dans le voisinage solaire serait épuisé dans 700 millions

La loi de Schmidt (1959, ApJ 129, 243)

Si le SFR était constant, le gaz interstellaire contenu dans le voisinage solaire serait épuisé dans 700 millions d'années...L'idée selon laquelle la densité de gaz interstellaire décroît en raison du taux de formation d'étoiles a été évoquée pour la première fois par Van den Bergh (1957, ApJ 125, 445). Deux explications sont possibles:- soit le gaz interstellaire est réapprovisionné régulièrement = suggestion de Van den Bergh (1957)- soit le SFR siminue avec la densité de gaz = suggestion de Schmidt (1959)

SFR ~ (gaz)n

Schmidt a comparé la distribution en densité surfacique de gaz interstellaire perpendiculairement au plan de la Voie Lactée à celle des étoiles et trouvé que si elles étaient reliées par une loi de puissance, celle-ci devait avoir:

n(Schmidt) ~ 1.5 Dans le voisinage solaire, ces densités sont de:gaz= 11 Mpc-2(= 20% tot), où ont été comptabilisés le HI, HII(H+), H2, He. *= 30 Mpc-2

*(Séq.Princ.)=25Mpc-2,*(naines blanches)=4Mpc-

2,*(Géantes&Superg.rouges)=1Mpc-2

La loi de Schmidt (1959, ApJ 129, 243)

Loi de Schmidt-KennicuttKennicutt a effectué une mesure similaire à celle de Schmidt sur des galaxies extérieures, mais en considérant chaque galaxie comme un point sur la courbe. Comme il est difficile d'accéder à des mesures en volume, on a accès à des mesures en projection, comme la densité de colonne de gaz et la densité de formation d'étoiles par unité de surface.

On parle alors de la loi de Schmidt-Kennicutt (Kennicutt 1989, 1998).

Cette loi a été réalisée pour des SFR dérivés de la raie en émission H et de l'émission infrarouge des galaxies. Elle est valable sur toute la gamme des valeurs mesurées pour le SFR des galaxies.

Loi de Schmidt-KennicuttLa loi de Schmidt a été mesurée par Kennicutt pour des galaxies extérieures. On parle de loi de Schmidt-Kennicutt.




Ce coefficient est proche de celui attendu dans le cadre d’une théorie simple où le taux de formation d’étoiles est proportionnel à la densité de gaz et inversement proportionnel au temps de chute libre:


Alternativement, elle peut être expliquée par l’effet catalytique d’ondes spirales ou de barres dans les galaxies disques (et par des régions plus compactes dans les starbursts)

Problème

Les premières mesures donnaient des valeurs de n variant entre 0<n<4. Beaucoup de galaxies S0 et Sa contiennent de grandes quantités de gaz et très peu de formation stellaire. De même dans les régions externes des galaxies spirales et irrégulières.

Comment expliquer cela ?

Nous allons voir qu'il existe un seuil en densité surfacique du gaz interstellaire:

la formation stellaire suit de manière universelle la loi de Schmidt-Kennicutt (sauf aux très petites échelles)...

...mais celle-ci ne s'applique qu'au-dessus d'un seuil en densité.

Le seuil en densité

Cette figure montre les profils radiaux en gaz (neutre, HI, et moléculaire, CO, qui trace la molécule H2, plus difficile à mesurer de manière directe) et en formation stellaire (raie en émission H). Le profil de gaz total est la somme de HI et CO (H2).La dépression près du centre de la galaxie peut être due à une chute de la formation stellaire ou à un effet d'extinction croissant vers le centre galactique. Cette distribution de l'émission en H suivant un profil exponentiel et une chute vers le centre est typique des disque des galaxies spirales.Notez bien que le profil de gaz continue de décroître de manière continue jusqu'à 260", tandis que le profil de H s'arrête brutalement à 150".Un tel "seuil en densité" est observé aussi dans les galaxies irrégulières, spirales et dans le voisinage solaire.

Kennicutt (1989, ApJ 244, 685), NGC4254


Pour H> 4 Mpc-2, le SFR croît de manière continue et lisse avec la densité de gaz. Au-dessous de ce seuil en densité le SFR chute brutalement.

Kennicutt (1989, ApJ 244, 685), NGC4254

~SFR

NGC4254 (M99)


Kennicutt (1989, ApJ 244, 685)

NGC4569(M90)

Pas de globules dans les bras typiques des régions HII, subit une Ram Pressure Stripping par l'amas de la Vierge pour la partie externe mais très fort SFR au centre.

NGC4736(M94)

Deux anneaux. Très fort SFR dans l'anneau central. Post-starburst.

M33M101

le SFR croît de manière continue et lisse avec la densité de gaz mais au-dessous d'un seuil en densité, le SFR chute brutalement. Ce seuil en densité varie d'une galaxie à l'autre, typiquement: H

seuil= 1-10 Mpc-2

i.e. NH=1020-1021 atomes d'H cm-2

Mais: H

seuil=10-40Mpc-2, pour M94 et M90H

seuil= 1-4 Mpc-2, pour M33 et M101


Dans une galaxie spirale, le mouvement dynamique est cohérent en majorité:

la vitesse de rotation du Soleil autour du centre de la Voie Lactée est : V~220 km/s

la dispersion de vitesses des étoiles du disque n’est que de : vkm/s

Seules la dispersion de vitesses et la rotation différentielle s’opposent à l’effondrement gravitationnel.

Dans une galaxie elliptique, le mouvement dynamique est désordonné en majorité:

la dispersion de vitesses est de : vkm/s

A densité de gaz donnée, il est donc plus difficile pour une instabilité gravitationnelle de se développer dans une elliptique que dans une spirale, d’où la densité critique d’allumage de la formation d’étoiles dix fois plus élevée dans une galaxie elliptique.

Pour un disque dans une galaxie possédant un fort bulbe stellaire, la rotation est très grande et s'oppose donc efficacement à l'effondrement gravitationnel.

La valeur de la densité critique répond à la formule du critère dynamique de Toomre pour l’effondrement d’instabilités gravitationnelles.

Le seuil en densité et le critère d'instabilité de Toomre

Le critère de Toomre : si Q=cS/G ou crit où crit= cS/G (Kennicutt 1989)alors il y aura formation d'étoiles.

Plus la rotation est forte (fort) et/ou la vitesse du son est forte (vit.son cS) plus la densité doit être élevée.

(=1)

(=0.7) -> taille max régions HII

NGC 6946

La taille du disque à l'intérieur de laquelle se trouvent les régions HII converge en R où la densité surfacique de gaz est =0.7crit(=1)

Pas de formation d’étoiles

Le cas des galaxies lenticulaires (S0)

Le seuil en densité de la loi de Schmidt-Kennicutt permet d'expliquer pourquoi les galaxies lenticulaires (S0) qui possèdent une masse de gaz importante de gaz ne forment pas d'étoiles: la densité de colonne d'hydrogène y est très faible: N(HI)<1021 atomes cm-2 ou (HI)<<10 Mpc-2. De plus ces galaxies ont souvent de grandes vitesses de rotation qui impliquent des fortes densités critiques, i.e. la densité du gaz interstellaire doit être très élevée pour que celui-ci s'effondre sous l'effet de la gravité.

Le paradoxe de la loi de Schmidt-Kennicutt

La densité surfacique de gaz diminuant au cours du temps, du fait du SFR, les galaxies spirales locales ne devraient plus former d'étoiles au bout de quelques milliards d'années. Cela suggèrerait que nous nous situons à une époque très particulière dans l'histoire des galaxies, juste avant qu'elles ne s'éteignent.

Une alternative serait qu'elles soient réapprovisonnées en gaz par "infall" de gaz "extérieur", mais il faudrait que cet infall nourrisse les galaxies de plusieurs Myr-1, dans le cas des galaxies Sc lumineuses, ce qui est énorme. Ceci est d'autant plus problématique que les populations stellaires des galaxies spirales locales et leurs abondances suggèrent qu'elles ont vécu une formation stellaire relativement constante au cours du temps…

Loi de Schmidt-KennicuttDu fait que N>1 dans SFR ~ (gaz)N (N= 1.4±0.15), il en résulte que le SFR par unité de masse de gaz, appelé efficacité de formation d'étoiles (SFE), augmente avec la densité de gaz ou encore:SFR = SFR/surface et gaz = fgaz x Mgaz+étoiles/surface où fgaz= % gaz

donc: SFR = SFR x gaz / [fgaz x Mgaz+étoiles] ~ (gaz)1.4

SFE=SFR/Mgaz ~ (gaz)0.4

Taux de formation d'étoiles spécifique (sSFR):

sSFR= SFR/M(gaz+*) =SFR/Mgaz x Mgaz/M(gaz+*) ~ fgaz gaz0.4

1/sSFR= temps pour doubler la masse d'une galaxie.

Dans le passé, sSFR plus élevé car fgaz plus élevée et Lors de fusions de galaxies le sSFR augmente plus encore à cause de gaz

Efficacité de formation d'étoiles (SFE)On appelle SFE, le SFR par unité de masse de gaz: SFE = SFR/Mgaz

Le SFE est un meilleur indicateur de la physique de formation d'étoiles car il ne dépend pas de la taille des galaxies, il est cependant plus difficile à mesurer car il requière la mesure de la masse de gaz contenue dans les galaxies distantes.

Les travaux de Kennicutt qui ont permis de mettre en évidence la loi précédente ont utilisé des observations de gaz relativement peu dense (n(H2)≥500 cm-3). Une étude récente de Gao & Solomon (2004) a été effectuée à l'aide d'un autre traceur du gaz, la molécule HCN, dont l'émission vibrationnelle requière une plus grande densité du gaz pour être émise (n(H2)≥3x104 cm-3).

N=1 N=1.7

Efficacité de formation d'étoiles (SFE) et gaz dense

• La molécule de CO présente une corrélation non linéaire avec la luminosité infrarouge totale utilisée comme estimateur du SFR (N=1.7)

•La molécule HCN, qui trace le gaz dense: corrélation linéaire SFR ~ Mgaz

•L'efficacité de conversion du gaz dense en étoiles semble donc être universelle !

•Ce qui change d'une galaxie à l'autre est la fraction de gaz dense (>3x104 cm-3 pour HCN vs for >500 cm-3 CO). Celle-ci est particulièrement élevée dans les galaxies lumineuses en infrarouge, dont la formation d'étoiles est allumée par des fusions de galaxies.

N=1 N=1.7

Milieu interstellaire et gaz moléculaireLe milieu interstellaire, ISM, est une structure compliquée, probablement fractale constituée en première approximation de nuages denses, baignant dans un milieu inter-nuages uniforme dilué. Dans l'univers primordial, la formation de H2 est inefficace car c'est une réaction à 3 corps:

H- + H H2 + e-

H2+ + H H2 + H+

Dès la formation des premières étoiles et l'enrichissement en métaux de l'ISM, les "métaux" (éléments plus lourds que l'He) réfractaires vont participer à la production de grains de poussière que ce soit dans les explosions de supernovae (la survie de ces grains de poussière soumis au bombardement d'électrons, sputtering, reste très débattue), dans les enveloppes des étoiles AGB ou dans l'ISM lui-même.Dès que la poussière a été formée, à des densités N(H)≥100 particules cm-3, l'hydrogène est principalement sous la forme de molécules H2 du fait de la formation efficace de H2 sur les grains de poussière et de son auto-écrantage ou self-shielding:la photodissociation de H2 par les rayons UV stellaires est empêchée par le fait que H2 est optiquement épais aux UV, i.e. les rayons UV sont efficacement absorbés par H2 (forte épaisseur optique) ce qui protège les molécules H2 au-delà de la zone où les UV peuvent les photodissocier, la zone PDR (photo-dissociation region).

Observation de la raie de H2

Tous les nuages denses sont donc des nuages moléculaires et c'est à l'intérieur de ces nuages moléculaires que naissent ensuite les étoiles. H2 particulièrement difficile à observer (raies autour de 1100 Å dans l'UV ou dans le moyen IR) et l'on déduit son abondance d'autres indicateurs. La raie S(1) de la transition 1–0 se trouve à 2.122 mm et est observée dans des chocs puissants dans les vents stellaires par exemple.

Van Dishoek et al. 1998, ApJ, 502, L173

Le gaz moléculaire dans les galaxies

Le meilleur traceur du gaz moléculaire est l'émission produite par la molécule de monoxyde de carbone, 12CO car c'est une molécule stable, la plus abondante après H2, et qui possède un faible moment dipolaire. Les niveaux rotationnels sont donc facilement excités et thermalisés via les collisions avec H2, i.e. à des densités relativement faibles.

Le seuil en densité au-delà duquel une transition rotationnelle est produite de façon substantielle est: N(H2)≥ A/C où A est le coefficient d'Einstein d'émission spontanée et C est le coefficient du taux collisionnel. Le coefficient A est proportionnel à m3, où m est le moment dipolaire, donc plus ce moment est faible, plus l'emission de la raie de CO sera émise à des densités faibles en H2.

Typiquement: N(H2) ≈ 300 cm−3 pour J = (1–0) à ≈3000 cm−3 pour J = (4–3) or (5–4).

Les transitions de J plus élevés requièrent une température minimale pour que les excitations collisionnelles soient suffisantes.

On utilise la raie de CO pour remonter à H2 grâce à un facteur de conversion :X=N(H2)/ICO ou plus généralement CO = Mgaz/LCO

Dans ce facteur de conversion, l'intensité de la raie en émission de CO considérée est celle de la transition rotationnelle entre le niveau 1 et le fondamental, CO(1-0), observée à 2.6 mm. La raie CO 1-0, qui trace la majeure partie de la masse, est parfois déduite de l'observation de transitions plus élevées car celles-ci sont plus facilement observables pour les galaxies distantes en raison du décalage spectral et la difficulté consiste alors à savoir comment convertir une luminosité d'une transition supérieure en luminosité 1-0 pour ensuite appliquer le facteur de conversion. La Figure 2 montre quelques exemples de galaxies pour lesquelles plusieurs transitions rotationnelles ont été observées.

Weiss et al 2005; 2007

H2 et CO

X ou CO varie d'une galaxie à l'autre en fonction :

-du flux UV qui photodissocie à la fois le CO et H2 et chauffe le milieu principalement par effet photoélectrique sur les grains de poussière-du flux de rayons cosmiques de basse énergie (quelques MeV) qui chauffent l'intérieur du nuage. D'autres mécanismes reliés au champ magnétique et à la turbulence doivent aussi jouer un rôle.-de l'abondance en éléments lourds, qui résulte en une plus faible quantité de poussière (site de nucléation des molécules) donc moins de formation de molécules et moins d'écrantage des photons UV.A la transition entre l'ISM et la région HII, se trouve une région de transition où les molécules sont photodissociées, que l'on appelle PDR pour photo-dissociation region.

PDR, photo-dissociation région (Hollenbach and Tielens, 1999, Rev. Mod. Physics 71, 173)

La photodissociation de H2 et CO est produite par l'absorption de photons far-UV.Quand l'abondance de ces molécules est suffisamment grande, les photons UV sont absorbés par les molécules en produisant des raies d'absorption. Le milieu devient ainsi optiquement épais aux UV et les molécules qui se trouvent à l'intérieur sont protégées contre les UV, on parle de "self-shielding".Comme H2 est plus abondant que CO, cette molécule bénéficie d'un plus grand "self-shielding"que le CO et existe ainsi dans des régions moins denses, tout simplement parce que H2 est plus abondant que le CO.

H2 et CO

La poussière mélangée au gaz joue aussi un rôle important en:(i) absorbant les photons UV(ii) donnant naissance aux molécules de H2 qui se reforment à la surface des grains.

Les régions de faible densité d'un nuage moléculaires n'étant pas auto-écrantées, elles sont complètement

photo-dissociées, en commençant par le CO (plus fragile) puis le H2.

Le seuil de densité de colonne au-dessous de laquelle la photo-dissociation du H2 est totale est de :

N(H)=5x1020 atomes cm-2

Celle du CO est plus faible

PDR, photo-dissociation région (Hollenbach and Tielens, 1999, Rev. Mod. Physics 71, 173)

H2 et CO

Dans la Voie Lactée, le facteur de conversion vaut: CO (MW) = 4.6 M⊙ (K km s−1 pc2)−1

où la masse de gaz est déduite du théorème du viriel. On suppose donc ici que la majorité du gaz est sous la forme de H2 et que le gaz est auto-gravitant.

CO = Mgaz/L(CO)=2.6 n(H2)0.5/Tb

où n(H2) est la densité en nombre de H2 (cm-3) et Tb est la température caractéristique de la raie de CO (voir Solomon & Vanden Bout 2005, ARAA 43, 677). Dans les ULIRGs, où le taux de formation d'étoiles est supérieur à typiquement 170 M⊙ yr-1, une valeur de 4.6 pour CO conduit à une surestimation de la masse de gaz, car celle-ci atteint alors des valeurs supérieures à la masse dynamique de la région d'où provient le CO. On a alors mis en place une autre description de la distribution du CO dans ces galaxies: au lieu d'être localisé dans des nuages virialisés, le CO des ULIRGs serait distribué dans le milieu inter-nuages. La largeur de la raie de CO est alors reliée à la masse dynamique totale de la région, incluant le gaz et les étoiles (et pas uniquement à la masse du gaz auto-gravitant). Il en résulte que la valeur effective de CO est plus faible que 2.6 n(H2)0.5/Tb.

L'étude de la dynamique du gaz moléculaire dans les galaxies ULIRGs a permis de calculer une masse de gaz près de 5 fois plus faible que celle déduite du CO standard de la Voie Lactée, i.e. ~5x109 Msol et un facteur de conversion de: CO(ULIRGs) = 0.8 M⊙ (K km s−1 pc2)−1

Ce facteur a été utilisé de façon systématique pour les galaxies distantes, mais de nouvelles études montrent que certaines galaxies distantes requièrent une valeur de aCO plus proche de celle de la Voie Lactée (Daddi et al. 2010)

Bigiel et al. (2008): loi de Schmidt-Kennicutt pour 7 galaxies spirales proches résolues

pente de 1 !efficacité de ~8% en 100 Myr

% du gaz consommé en 100 Myr



CO=0.8......4.6ULIRGs......MW

XCO

MW

XCO ULIR

G

BzK: galaxies à z~2, avec X(CO)~4.6 comme MW

Une galaxie "normale" à z=1.5 qui forme des étoiles comme une ULIRG...

Weiss et al 2007

CO=Mgas/LCO= 4.6 M (K km s-1pc2)-1 for Milky-Way (Solomon & Barrett 1991)

CO=Mgas/LCO= 0.8 M (K km s-1pc2)-1 for ULIRGs (Downes & Solomon 1998)

IRAM PdBI D-conf (0.87 mm, 345.8 GHz)

IRAM PdBI B-conf (1.3 mm, 230.5 GHz)

IRAM PdBI D-conf (0.87 mm, 345.8 GHz)IRAM PdBI B-conf

(1.3 mm, 230.5 GHz)

VLA Bconf (2.6 mm, 115.3 GHz)

Dannerbauer, Daddi +09

z=1.522

If co MW-like in z=1.5 galaxies:1) gas mass ~1-2x1011 M of H22) gas fractions ~60% or more

Origine des transitions élevées ? physique complexe, ≠ régions

M82: disk + starburst Weiss et al 2005

2 régimes ≠ 2 lois de Schmidt – Kennicutt ?

Daddi +2010

Mais à des densités supérieures, comme celles mesurées avec la molécule HCN : N(H2) ≥ 3x104 cm-3 typiquementon trouve une loi unique, avec une pente de 1, c-a-d une efficacité universelle de conversion du gaz en étoiles à ces densités.C'est donc la fraction de gaz dense qui compte: pour une densité surfacique de H2, ou pour une masse de H2, ce qui différencie les galaxies en 2 régimes est probablement la fraction de ce gaz qui atteint des hautes densités.

Gao & Solomon

1 loi de Schmidt – Kennicutt ?

La loi de Schmidt-Kennicutt est-elle universelle ?

few pc scales (Andre +13)

SFR, SFE driven by efficiency of dense gas production, hence ~large scales where gravity auto-regulates itself through turbulence

few pc scales: P.Andre (13): SFR = 15% dense molecular gas (HCN traced, >2x104 part.cm-3) pre-stellar cores x 30% mass in pre-stellar cores form stars in 1 Myr SFR= 4.5x10-8 Mdense Myr-1

<500 pc scales: C.Lada (12): SFR= 4.6x10-8 Mdense Myr-1 for molecular clouds in MW

kpc scales : Gao & Solomon (04): SFR= 1.8x10-8 Mdense (10/HCN) Myr-1 where: HCN=Mdense /LHCN~ 10 M(K km s-1 pc-2)-1

SFR

Mdense

Gao & Solomon 04HCN traced >105 cm-3

dense gas

few 100 pc scales (Lada +12)10 kpc scales = galaxies(Gao & Solomon 04)

La physique complexe des galaxies impose la nécessité d'observer plusieurs transitions car le CO 1-0 à 1 mm passe à des longueurs d'ondes élevées à grand z,

il n'est observable par ALMA qu'à bas z, mais l'eVLA est complémentaire

Définition d'un "starburst"On peut définir un temps caractéristique de conversion du milieu

interstellaire d'une galaxie en étoiles:

t(consommation gaz)= Mgaz / SFR = 1 / SFE (efficacité SF)

Ce temps est l'inverse de l'efficacité de formation d'étoiles.

Il est plus intuitif que cette dernière.

Définition #1: t(consommation gaz) << t(Hubble)

=> starburstPour les plus gros starbursts : t(consommation gaz)~ 1 Gyr !

Le starburst correspond à une phase d'activité supérieure à la moyenne intégrée sur l'histoire de la galaxie. On a pour cela défini un autre paramètre appelé "paramètre de taux de naissance" ou "birthrate parameter", b:

b = SFR / <SFR> (ou encore "paramètre de Scalo")

Définition #2: b = SFR / <SFR> ≥ 2-3 => starburst (Heckman 2005)

birthrate parameter "b" pour différents types de galaxies

The SFR – stellar mass correlation

Elbaz +07, data from Brinchmann+04 (SDSS, H corrected from extinction from H/H)

Mergers provide more gas to feed star formation but do not alter the SF process (Schmidt law)

Arp220

M82

MW

Red-dead Red-dead galaxiesgalaxies

Definition of a "starburst"

t(gas consumption)= Mgas / SFR = 1 / SFE (SF efficiency)

Definition #1: t(gas consumption) << t(Hubble) =>

starburst

local LIRGs: t(gas consumption) ~ 1 Gyr !• The Antennae: (LIRG)

LIR=1.1x1011L --> SFR= 19 Myr-1

M(H2)=3.9x109 M

Molecular gas exhausted in 200 Myr

• The Super-Antennae: (ULIRG)LIR=1.1x1012 L --> SFR= 190 Myr-1

M(H2)=3x1010 M

Molecular gas exhausted in 160 Myr

Dusty starbursts at z~0Definition #2 of a starburst: exceptional event, i.e. b > 3

b=SFR/<SFR>= birthrate parameter

Elbaz et al. 07SDSS data from Brinchmann et al. 04

LIRGs

ULIRGs

Good proxy = specific SFR (SSFR) assuming same age:SSFR= SFR/M* = SFR/<SFR> x 1/age

SFR/M* ~ 0.06 Gyr-1 (MW) ≈ 20 Gyr (time to x2 M*)

x 10 = 0.5 Gyr-1 (M82) ≈ 2 Gyr x 200 = 10 Gyr-1 (Arp220) ≈ 0.1 Gyr

The SFR – stellar mass correlation as a function of redshift

Arp220

M82

MW

Elbaz +07

At z~1, LIRGs are no more outlyiersAll M*>5x1010M are LIRGs or « dead » !

LIRGs

SFR=SFR(IR)+SFR(UV)

The SFR – stellar mass correlation as a function of redshift

Arp220

M82

MW

z~0, SDSS(Elbaz et al. 07)

LIRGs

ULIRGs

Elbaz et al. 2007

z~1, GOODS(Elbaz et al. 07)

LIRGs

Daddi et al. 2007BzK @z~2

ULIRGs

EGS (Noeske et al. 2007)

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La loi de Schmidt (1959, ApJ 129, 243) Si le SFR était constant, le gaz interstellaire contenu dans le voisinage solaire serait épuisé dans 700 millions